CN106762402B - 基于联合射流技术的风力机叶片流动控制装置及其控制方法 - Google Patents

基于联合射流技术的风力机叶片流动控制装置及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于联合射流技术的风力机叶片流动控制装置及其控制方法，叶片上安装有一个联合射流装置，所述联合射流装置包括高压气室、前缘喷气口、低压气室和后缘吸气口，所述高压气室与前缘吹气口相通，所述低压气室与后缘吸气口相通，高压气室与低压气室通过气流管道与机舱内的气泵装置相连通；前缘喷气口位于距翼型前缘6％c位置处，喷口高度为0.65％c，后缘吸气口位于距翼型前缘80％c位置处，吸气口高度为1.83％c，其中，c为翼型弦长。本发明能够有效降低风力机叶片的切入风速、增大风力机输出功率、抑制动态失速。

Description

基于联合射流技术的风力机叶片流动控制装置及其控制方法
技术领域
本发明涉及主动流动控制技术领域，具体涉及一种基于联合射流技术的风力机叶片流动控制装置及其控制方法。
背景技术
20世纪70年代初期，由于受到“石油危机”的冲击，许多国家都在探索能源多样化的途径，以解决资源紧缺的问题。传统的风能作为无污染、可再生的自然能源又重新引起了人们的重视。
风力机是风能工程中的核心，它是将风的动能转换成机械能或电能的装置。获取风能的成本主要为风力机在使用期的能量捕获成本和维护成本。其中风轮叶片又是风力机的关键部件，因此，从风能产业初期，人们就一直试图增加风轮直径和发电机尺寸，只为在其使用期能获取更多的风能。然而，由于叶片尺寸的增大，结构和疲劳载荷成为不可忽视的问题，这也是风力机在设计过程中需要考虑的重要因素。结构和疲劳载荷主要来源于动态失速。风力机叶片的剖面形状称之为风力机翼型，它对风力机性能有很大的影响。风力机叶片在经历任何一种非定常的来流迎角变化，特别是在超过其叶素翼型的临界迎角时，容易发生气流的非定常分离而导致叶片出现失速，即动态失速。例如，自然界中来流风速风向不断变化，使得风力机常常处于偏航状态，风力机作偏航运动时，叶片各剖面处的迎角呈周期性变化等，使得叶片上的载荷也呈周期性变化，容易诱发动态失速。因此，受叶片振荡、地面边界层、大气湍流、偏航和塔架阴影等多种因素的影响，风力机在很大一部分运行时间都遭受动态失速的影响。
动态失速发生的机理相比静态失速要复杂得多，其对翼型和叶片上的力和力矩也有很大的影响。当风力机在失速状态运行时，最大输出功率和最大叶片载荷往往会同时出现，使风力机叶片处于超负荷运行状态。处于失速状态的风轮在高风速下产生的高于设计值的动力输出，非常容易引发发电机的损坏及电网电压不稳定等非正常现象。
同时，动态失速也是非定常气动载荷和气动噪声的主要来源。随着风能产业的发展，更多的风力机可能要分布在一些居民区，这对附近居民的舒适度会有很大的影响。
因此对动态失速的控制有着十分重要的意义。
另一方面，风力机有着自身的切入速度，即可以运行发电的最低来流速度，其在低于此风速的条件下会自动停机。而在自然风场环境下，风力机时常会处于低风速的工作条件，这时传统的风力机只能产生很少的电能或者不能启动工作，这就大大限制了风力机可以部署的区域。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种基于联合射流技术的风力机叶片流动控制装置及其控制方法，能够有效降低风力机叶片的切入风速、增大风力机输出功率、抑制动态失速。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种基于联合射流技术的风力机叶片流动控制装置，叶片上安装有一个联合射流装置，其特征在于，所述联合射流装置包括高压气室、前缘喷气口、低压气室和后缘吸气口，所述高压气室与前缘吹气口相通，所述低压气室与后缘吸气口相通，高压气室与低压气室通过气流管道与机舱内的气泵装置相连通；前缘喷气口位于距翼型前缘6％c位置处，喷口高度为0.65％c，后缘吸气口位于距翼型前缘80％c位置处，吸气口高度为1.83％c，其中，c为翼型弦长，吸气口高度比喷气口高度略高是防止吸气过程中发生壅塞现象。
每片叶片上的联合射流装置中的高压气室的高压气体由风力机机舱内部的气泵提供，通过前缘喷口喷出，由后缘吸口吸入低压气室，低压气室的气体再由回流通道和气泵输送到高压气室。
所述联合射流装置沿叶片展向连续或离散分布。
上述一种基于联合射流技术的风力机叶片流动控制装置的控制方法，包括如下步骤：
S1、当风力发电场达到相应的工作条件，即风速适合风力机发电时，风力机开始常规工作，此时没有打开喷口；
S2、当风力机的常规工作状态稳定后，通过安装在风力机叶片上的气压传感装置检测来流的迎角和速度，根据来流的迎角和速度确定相应的设定射流动量系数，并根据设定射流动量系数来调节气泵功率大小；
S3、气泵开始工作，喷口开始喷出射流，同时吸气口开始吸气，当喷口的射流和吸气口的吸气流稳定后，通过安装在喷口处的气压传感装置检测喷口处的气压和速度，计算实时射流动量系数并与设定射流动量系数比较，获得相应的比较结果；
S4、将比较结果反馈给气泵，调节气泵的功率大小，重复反馈和调节过程，直到喷口的实时射流动量系数与设定射流动量系数相同为止，并保持该工作状态；
S5、当外部风场变化时，根据不同的工况可重复步骤S2到步骤S4以获得新的设定射流动量系数，再进行反馈调节，最终工作在稳定状态。
其中，所述射流动量系数定义如下：
Figure BDA0001195043880000031
其中，Cμ为射流动量系数；
Figure BDA0001195043880000041
为质量流率；Vj为喷口处的射流速度；ρ∞为自由来流密度；V∞为自由来流速度；S为叶片参考面积。
本发明具有以下有益效果：
与无联合射流装置的风轮叶片相比，通过应用联合射流流动控制技术至少可以达到以下三点效果：(1)在联合射流的作用下，在低风速下能极大地提升风力机叶片的升力，使风力机可以在较小的风速下即可启动工作，因此可以显著减小切入风速，有效利用风力资源；(2)正常工作状态下，联合射流使得风力机的叶片沿整个展向有着整体气动性能的提升，即各个剖面翼型的升力增加，阻力减小，气动效率提高，也就意味着，输出功率得到大幅提高；(3)由于有效抑制了大气湍流、偏航等引起的动态失速的发生，本发明可以减缓由动态失速引起的叶片和机舱塔架的结构振动，从而减小了风力机系统的结构和疲劳载荷，延长了其使用寿命。
附图说明
图1为风力机翼型S809原始翼型图
图2为应用联合射流后的风力机翼型S809-CFJ翼型概念图
图3为应用联合射流后的风力机叶片外形图
图4为应用联合射流后的叶片在A-A处的剖视图
图5为迎角为20.15°时S809原始翼型的流场图
图6为迎角为20.15°时S809-CFJ翼型的流场图
图中：1-喷气口；2-吸气口；3-高压气室；4-低压气室。
具体实施方式
为了使本发明的目的及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图2-4所示，本发明实施例提供了一种基于联合射流技术的风力机叶片流动控制装置，叶片上安装有一个联合射流装置，其特征在于，所述联合射流装置包括高压气室、前缘喷气口、低压气室和后缘吸气口，所述高压气室与前缘吹气口相通，所述低压气室与后缘吸气口相通，高压气室与低压气室通过气流管道与机舱内的气泵装置相连通；前缘喷气口位于距翼型前缘6％c位置处，喷口高度为0.65％c，后缘吸气口位于距翼型前缘80％c位置处，吸气口高度为1.83％c，其中，c为翼型弦长，吸气口高度比喷气口高度略高是防止吸气过程中发生壅塞现象。
每片叶片上的联合射流装置中的高压气室的高压气体由风力机机舱内部的气泵提供，通过前缘喷口喷出，由后缘吸口吸入低压气室，低压气室的气体再由回流通道和气泵输送到高压气室。
所述联合射流装置沿叶片展向连续或离散分布。
在自然风场环境下，当风力发电场达到相应的工作条件，即风速适合风力机发电时，风力机开始常规工作，即没有打开喷口。当风力机的常规工作状态稳定后，通过安装在风力机叶片上的气压传感装置测出来流的迎角和速度。根据来流的迎角和速度设定相应的设定射流动量系数，根据设定射流动量系数来调节气泵压力大小，气泵置于机舱内部，通过输气管道经由风力机转轴与叶片内的高压气室和低压气室连通。由于气泵给高压气室加压，使得高压气室内气压大于外界大气压，于是高压气体从喷口喷出，在前缘形成吹气。同时，后缘低压气室的气压低于后缘外流的气压，从而在后缘喷口处形成吸气，吸入低压气室的气体再由输气管道经由转轴回流至气泵，循环使用。
当喷口的射流和吸气口的吸气流相对稳定后，通过安装在喷口处的气压传感装置检测喷口处的气压和速度，计算实时射流动量系数并与设定射流动量系数比较，获得相应的比较结果；将比较结果反馈给气压泵，调节气压泵的压力大小，重复反馈和调节过程，直到喷口的实时射流动量系数与设定射流动量系数相同为止，并保持该工作状态。
当外部风场变化时，需要随时变化射流动量系数，以保持风力机始终处于高效的工作状态，此时则根据不同的工况重复以上操作以获得新的设定射流动量系数，再进行反馈调节最终又工作在一个新的稳定状态。
具体步骤如下：
S1、当风力发电场达到相应的工作条件，即风速适合风力机发电时，风力机开始常规工作，此时没有打开喷口；
S2、当风力机的常规工作状态稳定后，通过安装在风力机叶片上的气压传感装置检测来流的迎角和速度，根据来流的迎角和速度确定相应的设定射流动量系数，并根据设定射流动量系数来调节气泵功率大小；
S3、气泵开始工作，喷口开始喷出射流，同时吸气口开始吸气，当喷口的射流和吸气口的吸气流稳定后，通过安装在喷口处的气压传感装置检测喷口处的气压和速度，计算实时射流动量系数并与设定射流动量系数比较，获得相应的比较结果；
S4、将比较结果反馈给气泵，调节气泵的功率大小，重复反馈和调节过程，直到喷口的实时射流动量系数与设定射流动量系数相同为止，并保持该工作状态；
S5、当外部风场变化时，根据不同的工况可重复步骤S2到步骤S4以获得新的设定射流动量系数，再进行反馈调节，最终工作在稳定状态。
由于喷口很窄，当高压气室内气压较大时，气体通过喷口的速度会很大，从而形成高速射流。射流的强弱可以用射流动量系数来表示，该系数的值越大表示射流强度越大。射流动量系数Cμ是一个无量纲的系数，类似于翼型的升阻力系数，直接反映射流强弱，是决定其性能特性的重要参数，定义如下：
Figure BDA0001195043880000061
其中，
Figure BDA0001195043880000062
为质量流率，Vj为喷口处的射流速度，ρ∞为自由来流密度，V∞为自由来流速度，S为叶片参考面积。。
本发明中联合射流可以使风力机在较小的风速下就要启动工作，是由于射流装置加速了翼型上表面的气流，延迟了分离，增加了翼型的环量，进而增加了升力，提高了转动力矩，同时也提高了输出功率。
联合射流控制技术延迟翼型上表面气流分离的主要原因有：一、前缘吹气向流场中注入能量，增加了翼型上表面前缘近壁区内气流的动能，从而能够抵抗前缘逆压梯度而不发生分离；二、后缘吸气增加了上表面后缘近壁区内气流的速度，从而能够克服后缘逆压梯度避免发生分离。
风力机叶片S809翼型的数值模拟结果表明，本发明具有很好的流动控制效果。在马赫数Ma＝0.076，雷诺数Re＝6×106，迎角AOA＝20.15°的情况下，原始翼型(即S809)的升力系数CL＝1.007，阻力系数CD＝0.215；设置有联合射流的翼型(即S809-CFJ，其中CFJ表示Co-Flow Jet的缩写形式)在其它参数不变的情况下，射流动量系数Cμ＝0.12时的升力系数CL＝2.527，阻力系数CD＝0.015。可见，联合射流使得升力系数增大至2.509倍，阻力系数减小至仅为原来的7％，起到了大幅增升减阻的效果。
图5为S809原始翼型在迎角为20.15°时的流场图，此时翼型已失速，上表面流动严重分离，在后缘有很大的分离涡。图6为S809-CFJ翼型在迎角为20.15°时的流场图，此时由于采用了联合射流控制技术，翼型上表面的流速增加，进而环量增加，升力系数增大，为原始翼型的2.509倍；同时，联合射流向边界层内注入了能量，有效抑制了翼型在此大迎角下的流动分离。阻力系数显著降低，一方面是由于抑制了流动分离，减小了阻力，另一方面是由于联合射流装置本身提供了一个向前的反作用力，抵消了部分阻力，从而大大减小了阻力系数。
因此，从数值模拟的结果可以看出，联合射流对升力系数的提升、阻力系数的降低、失速的抑制效果都十分明显。本发明所提出的风力机叶片联合射流装置可以使风力机叶片在不同工况下的工作效率比不使用联合射流工作状态下的效率都有很大程度的提高。而且，联合射流通过气泵回流装置实现气体循环利用，能量消耗低，使用可控性高，可以在不同的工况下，通过调节喷口大小以及气泵功率大小，使风力机达到最佳的工作状态。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种基于联合射流技术的风力机叶片流动控制装置的控制方法，联合射流装置包括高压气室、前缘喷气口、低压气室和后缘吸气口，其安装于叶片上；所述高压气室与前缘吹气口相通，所述低压气室与后缘吸气口相通，高压气室与低压气室通过气流管道与机舱内的气泵装置相连通；前缘喷气口位于距翼型前缘6％c位置处，喷口高度为0.65％c，后缘吸气口位于距翼型前缘80％c位置处，吸气口高度为1.83％c，其中，c为翼型弦长；每片叶片上的联合射流装置中的高压气室的高压气体由风力机机舱内部的气泵提供，通过前缘喷口喷出，由后缘吸口吸入低压气室，低压气室的气体再由回流通道和气泵输送到高压气室；所述联合射流装置沿叶片展向连续或离散分布；其特征在于，所述控制方法包括如下步骤：
S1、当风力发电场达到相应的工作条件，即风速适合风力机发电时，风力机开始常规工作，此时没有打开喷口；
S2、当风力机的常规工作状态稳定后，通过安装在风力机叶片上的气压传感装置检测来流的迎角和速度，根据来流的迎角和速度确定相应的设定射流动量系数，并根据设定射流动量系数来调节气泵功率大小；
S3、气泵开始工作，喷口开始喷出射流，同时吸气口开始吸气，当喷口的射流和吸气口的吸气流稳定后，通过安装在喷口处的气压传感装置检测喷口处的气压和速度，计算实时射流动量系数并与设定射流动量系数比较，获得相应的比较结果；
S4、将比较结果反馈给气泵，调节气泵的功率大小，重复反馈和调节过程，直到喷口的实时射流动量系数与设定射流动量系数相同为止，并保持该工作状态；
S5、当外部风场变化时，根据不同的工况可重复步骤S2到步骤S4以获得新的设定射流动量系数，再进行反馈调节，最终工作在稳定状态。
2.如权利要求1所述的基于联合射流技术的风力机叶片流动控制装置的控制方法，其特征在于，所述射流动量系数定义如下：
Figure FDA0004053698030000021
其中，Cμ为射流动量系数；
Figure FDA0004053698030000022
为质量流率；Vj为喷口处的射流速度；ρ∞为自由来流密度；V∞为自由来流速度；S为叶片参考面积。
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